美国田纳西大学在胶囊化相变储热材料方面取得新进展

文章信息

技术领域：胶囊化相变储热材料

开发单位：美国田纳西大学 Hongyu Zhou

技术突破：开发了一种新型微胶囊化相变材料——CenoPCM，研究表明，该材料具有较好的力学性能和较高的导热系数，且成本远远低于其他微胶囊相变材料。

文章名称：Adam L. Brooks, Hongyu Zhou. Enabling high-strength cement-based materials for thermal energy storage via fly-ash cenosphere encapsulated phase change materials. Cement and Concrete Composites, 2021.

应用价值：CenoPCM在水泥基材料的开发方面具有巨大的潜力。

相变材料(PCM)在水泥基材料中的应用为大规模蓄热开辟了道路。同时，人们针对相变材料的胶囊化也已经开展了广泛的探究和应用，使得相变过程中相变材料的体积变化得到控制。微胶囊相变材料易于与传统建筑材料相结合，而且可以增强相变材料与周围材料之间的热传导。然而，聚合物微胶囊相变材料在水泥基材料中的传统应用仍存在一些众所周知的缺点，例如力学性能不佳，导热系数低，成本高等。

来自美国田纳西大学的研究人员探索了一种新的微胶囊化方法，使用粉煤灰空心微珠来封装PCM，以便在水泥基材料中大规模应用。他们制备了体积分数3%~20vol%的空心微胶囊相变材料(CenoPCM)水泥基复合材料，并对其性能进行了测试。通过对比研究，阐明了CenoPCM及对应的聚合物微胶囊对功能化水泥基材料的力学性能和热性能的影响。此外，还建立了基于微观力学的模型，来预测含有微胶囊相变材料的胶凝材料的性能。由于CenoPCM的力学性能显著提高，具有良好的导热性且成本远远低于其他微胶囊相变材料，因此在水泥基材料的开发方面具有巨大的潜力。

图1 用于微胶囊化的空心粉煤灰微珠(FAC)和微米级MEPCM的性能: (a) X射线衍射(XRD)；(b) 粒度分布；(c) FAC表面形貌扫描电镜图像；(d) FAC的多孔壁结构 (e) 微粒团 (f)单个颗粒的放大图

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南京工业大学在用于热控制的胶囊相变储热材料方面取得新进展

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技术领域：用于热控制的胶囊相变储热材料

开发单位：南京工业大学，Lei Ni；Juncheng Jiang.

技术突破：制备了以硅壳作为抑制剂的胶囊化相变材料(PCMs)，可改善反应堆的热能控制从而缓解反应热失控，同时提出了一种抑制效应-动力学模型来模拟热失控反应的抑制过程。

文章名称：Qiang Chen, Lei Ni, Juncheng Jiang. Modeling of runaway inhibition in batch reactors using encapsulated phase change materials. Renewable Energy, 2021.

应用价值：该研究有助于工程师和安全管理者制定最优的热失控抑制策略，改善紧急情况下能量反应的控制。

热失控是导致工艺安全事故的常见隐患，化学能量不受控制的释放给间歇反应器带来了极大的风险。采用以硅壳作为抑制剂的胶囊化相变材料(PCMs)，可改善反应堆的热能控制从而缓解反应热失控。

来自南京工业大学的科研人员基于以上思路进行PCM制备，具有核壳微观结构和球形形貌，平均粒径为980 nm，硅壳厚度为100 nm。他们分别用0.5 g和1 g的胶囊化PCM进行了一系列抑制实验。基于自催化平行反应模型，研究了硫酸催化下丙酸酐与2-丁醇酯化反应的动力学参数。同时提出了一种抑制效应-动力学模型来模拟热失控反应的抑制过程。结果表明，微胶囊复合相变材料抑制热失控的机理是相变材料蓄热和微胶囊强化流体对流换热的综合作用。在优化抑制剂注入策略时，探究了搅拌速率、胶囊相变材料分散度和热失控预警温度的影响。而绝热条件下胶囊化复合相变材料对热失控的抑制作用相对较低。该研究对反应堆的热能安全设计和控制具有重要意义，同时胶囊化相变储热材料的应用为抑制热失控提供了一个基本的工具。

图2 (a) 实验装置，(b) 抑制实验过程，(c)胶囊化相变材料浆体